战术级空地联合行动空域管控：空中“红绿灯”技术

乔沛昊，陈 勇，薛文军，冯培伦，邢 欣

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.驻太原地区第二军代室，太原 030006）

0 引言

随着现代科技的不断进步，在未来信息化装备高度发展的情况下，一定会呈现“立体统一、空地协同、一域多分”的攻防作战体系［1］。空中作战平台具有机动性能好、视野广阔、态势感知能力强的优势，地面陆军装甲装备具有防御性能好、部署隐蔽、火力覆盖范围广的优势［2］。采用空中与地面协同作战的方式，结合各自先天的优势，可以充分发挥整体作战效能，提高各兵种武器装备利用率，进而可以快速适应未来战场的复杂多变。

空域管控技术是空地协同作战中的一项关键技术。战场空域管控的关键在于对空域的调配和控制，既要保证我方空域的充分利用，尽可能确保作战任务的实现和作战效能的充分发挥，又要关注敌方空域及敌我交战空域的控制问题［3］。通过对战场空域合理的管控，可以形成统一的联合战斗单元，保障空地协同作战的流畅性，极大地提高防空能力［4］。

目前不论国内还是美国、欧洲等军事强国，在军事领域上主流的空域管理方式是采取在二维、三维界面根据高程进行划分的方法规划空域［5］。作战时，作战部队首先发起空域申请，由空域主管部门下发规划后空域，其下发结果为空域划分和时间区间。空管人员通过对照具体场景在态势图上显示的二维平面图，对空域规划进行二次细分，如：禁飞区、射击区、拦截区、空中危险区等。综合来讲，目前战术级空域使用不灵活，空域利用率较低，没有对不同的层高进行充分利用，缺乏成熟的战术级空域使用规划技术。

本文针对空地协同作战，提出了空中“红绿灯”空域管控技术。首先通过对战场空域进行科学切分，形成网格化战术级空域，这是进行战术级空域管控与调配的最基本单元。将信息与火力融为一体，实现信息与火力的一体化协同，形成体系化作战能力。在战术级空域管控技术中建立空域使用计划自适应调整和控制机制，满足执行作战任务和敌我态势变化的要求，提高战术级空域管理的时效性与空域使用效能。最后引入科学、高效的冲突检测告警技术，增强了战术级“红绿灯”空域管控技术的安全性，以更好地发挥作战效能。

1 网格化空域标识技术

传统空域标识的方法是以空中走廊、航道的形式，在态势图上进行显示。标识空中走廊、航道的形式不够细化，对空域的使用效能不够充分，显示的力度不细。网格化标识空域的方法是对传统方式的一个强有力的补充，很大程度上弥补了原有方法的不足。

1.1 网格化空域切分方法

首先建立战术级空域管理模型，对空域主管部门规划的战术级空域进行切分，可以等分切分，也可以根据具体地理环境，如：高山、丛林等自然屏障对空域进行不等分切分。切分时严格遵照战术级空域切分规定、具体作战任务，如50 m 高程一切，将战术级空域网格化并进行有序的空间编码，如图1所示。

图1 网格化战术级空域

切分后将网格化空域放大，可以看到网格化战术级空域由一个个小立方体的空间构成，每一个小立方体为一个基本单位，如图2 所示。每一个小立方体空间对应一个具体编码，成为研究具体“红绿灯”管控、防碰撞系统的基本单位。

图2 切分后的网格化编码战术级空域

立方体块的各个顶点不得超出空域边界，空域内坐标（Xij，Yij）应满足下式要求，其中，∏（Boundary）为空域边界。

1.2 空域内航道分流合并技术

战术级空域切分后，该空域范围内会有相关业务的航路，如：运输、侦察航路等。每条航路构成一条空中走廊，每条空中走廊包含若干细分的立体网格。当对应具体任务时，在某一条空中走廊中的飞机可以根据实时变化航道的走向，组成若干通道；根据实时战场变化，若干条航道也可以合并组成一条航道。

如图3 所示，中间浅色航道因特殊情况临时设为禁飞航道，通过“红绿灯”空域管控技术可以开辟出若干条安全的临时航道。所有空中走廊的变化均在整个细化切分的战术级空域范围内，具体调配时只需对应相应空域编码即可，因此，航道的临时调整、管控都十分便捷。

图3 网格化空域内航道的分流、合并

1.3 网格化空域切分成效

传统空域管理方法主要围绕计划下的空域划分和时间规划，一条条航道就好比生活中的普通马路，使用不灵活，效率也比较低。网格化细分后的空域，每一块相互区分又紧密联系，战术级空域内的航道可以根据任务扩容扩路，结合空中“红绿灯”运转流程，就好比是生活中的高速公路。

在现有的战术级空域管理方法中并没有包含切分细化空域的做法，大多是根据一条条固有的空中走廊进行调配管理，这样不仅空域利用率不高，空中走廊中飞机的灵活性也受到限制。通过网格化标识技术将战术级空域进行细化切分，在提高空域利用率、灵活性的同时，也为战术级空域内进行空中“红绿灯”的管控奠定架构基础。

2 “红绿灯”空域管控技术运转流程

2.1 工作原理

以“红绿灯”方式对战场空域情况进行管控，能够更加直观地掌控空域态势，更加合理高效地对空域进行管理，在避免误伤的同时，极大提高作战效能。这种方式以面向任务为驱动，根据不同的作战任务，控制空域网格显示红灯、绿灯或者黄灯，红灯表示火力通道有效、绿灯表示空中机动通道有效，黄灯表示存在风险。

从用户视角来看，主要涵盖空中机动及地面火力单元。对于空中机动，空中走廊由若干个空域网格构成，将包含飞行器当前位置以及一定安全间隔阈度的网格显示为绿灯，飞机通过的空域或者剩余航路则显示红灯，红灯则表示火力弹道可以覆盖此空域。对于火力单元，会根据火力任务及火力计划情况划设火力通道，在火力处于射击状态或射击过程时间段，火力通道则显示红灯，表示飞行器不能进入该区域，需改变航线。射击结束后，火力使用的空域资源释放，空域网格恢复初始状态，颜色显示灰色。

而从空域管理的视角出发，整个监视界面形成统一的红绿灯空域态势图，以及空域控制列表，列表呈现各空域用户单元及权限。权限包含允许飞行、禁止飞行、禁止射击、允许射击等状态。同时这种“红绿灯”控制策略能够处理临机的用空任务，动态调整空域红绿灯运行状态。

2.2 典型场景应用

2.2.1 飞机与火力交互

在网格化战术级空域内有一条航道，与此同时有一条火力通道经过该航道，如图4 所示。从用户视角观察，箭头处为我机当前位置，已经过航道为红色，随着飞机不断前进，红色航道变为绿色，另一条灰色航道为无作业打击时的火力通道。图中白色方块为亮“红灯”，三角形为亮“绿灯”，灰色方块为无作业打击时的火力通道。

图4 飞机与火力交互前“红绿灯”管控图

当火力通道由无作业状态变为可以进行打击作业，此时火力通道亮“红灯”。如果我机按原既定航道继续前行可能发生碰撞，因此，我机只可以在交错点前一块方格空域内做悬停（如直升机）或盘旋等待作业，任何飞行器不能经过火力通道，如图5所示。

图5 飞机与火力交互时“红绿灯”管控图

当火力打击完毕，火力通道由亮“红灯”恢复无作业时的灰色状态。此时可能发生碰撞的危机解除，我机可继续沿着航道前行，如图6 所示。

图6 飞机与火力交互后“红绿灯”管控图

2.2.2 飞机与不明目标交互

在网格化空域内有一条航道，此时航道前方经过地面雷达侦察系统发现，出现不明目标驶入航道，如下页图7 所示，灰色箭头为不明目标。如果我机继续按原既定航道前行，可能发生碰撞或者交火，此时空中“红绿灯”空域管控系统开始运作。

当我机接收到信号，“红绿灯”管控系统运作，及时为我机开辟一条或多条亮“绿灯”的航道，避免与不明目标正面交错，原既定航道此时全部亮“红灯”，禁止一切飞行器进入，如图8 所示。

图7 飞机与不明目标交互“红绿灯”运作管控图

图8 飞机与不明目标交互新航道开辟管控图

2.3 管控成效分析

空中“红绿灯”管控技术相比较传统空域管控技术，最鲜明的特点就是提高了时效性与空域利用效率。

传统空域管控技术运转的时间周期为空域计划时间、侦察计划时间、地面火力计划时间、冲突检测时间、临机调整时间等的总和。空中“红绿灯”管控技术运转的总时长仅仅为“红绿灯”管控时间和各火力单元控制时间的总和。当我机在指定空域内遇到突发状况，可以根据“红绿灯”网格显示和管控策略及时作出调整，极大地提高了时效性。

空中“红绿灯”管控技术不仅多层高可以同时利用，通过网格化空域切分，将整体空域进一步编码细分，使所有节点可以同时关注“红绿灯”情况，然后根据指示进行随动操作，提高了空域利用效率。

3 冲突告警防碰撞技术

安全性是战术级“红绿灯”空域管控技术实施的基础保障。传统的冲突检测方法是通过计划监控，以甘特图的方式进行检测告警。相比较传统的告警方式，网格化后具有“红绿灯”性质的冲突检测告警技术具有目标位置明确、图形化后更直观以及实时性更强的优势。研究网格化战术级空域内空域冲突问题，根据飞行曲线模型、火力弹道模型，推演出具有“红绿灯”性质的冲突检测告警技术。该技术对指挥决策有着强有力的辅助作用，在态势图上可以定义为“黄灯”。

3.1 设置安全阈值

通过在网格化战术级空域内设置安全阈值，可以保障每一条航道在有临时或计划外火力覆盖时的安全。当空域内航道附近有火力打击，火力弹道与飞行航道间的距离接近某一安全阈值时，“红绿灯”管控系统作出判断，为飞机开辟新的航道，避免碰撞发生，原航道亮“红灯”，处于禁飞区。此时亮“红灯”航道所在的网格化空域在用户视角看亮“黄灯”，起到警示作用，即提示用户此空域内可能发生碰撞。如图9 所示，箭头表示我机航向，灰色为避免碰撞设置为禁飞的航道。

图9 根据安全阈值防碰撞示意图

3.2 网格化防碰撞阵地

网格化战术级空域经过空间编码后，可以细分成每一块空间，从俯视的角度看，可以将每一块空间看成一个二维平面上的网格化小型阵地。当火力覆盖该战术级空域时，可以通过有序排列的网格化小型阵地，设置弹道航路，通过设置的安全阈值与空域内的飞行航道避免交叉，防止碰撞。如图10 所示，我机所在阵地亮“红灯”，此时阵地内火力停止射击；火力打击时可能与我机发生碰撞的火力阵地同样停止射击，亮“红灯”；经过推算可以安全进行火力打击的阵地进行打击作业。

图10 网格化防碰撞阵地示意图

3.3 防冲突调配建模

针对可能发生的航道与临时火力弹道或者目标敌机冲突碰撞的情况，建立防冲突调配模型，通过在达到安全阈值前开辟新的航道来避免碰撞的发生。

假设通过安全开辟的新的航道避免碰撞的概率为Ps，避免碰撞开辟的可能安全的新航道有n条，n 条航道对应的绝对安全通道的概率为Pni，则有

式中，N 为针对可能发生碰撞采取的驶入新航道的次数，如果Pni=Pn，则有

由于目标敌机是由敌方指挥控制，航向无法确定，且可能来袭飞行器众多，因此，在开辟的新航道仍有可能与目标敌机交互碰撞的情况下，假设每次开辟的新航道成功避免冲突碰撞的概率为Pn，开辟新航道的次数为

对于开辟新航道的次数Nob，其也可以用来表示成功避免冲突碰撞的概率，此时：

式中，No为探测到的来袭目标总数，Nob为开辟的新航道的次数，Pn为每次开辟的新航道成功避免冲突碰撞的概率，Nch为避免冲突碰撞需要开辟的新航线的数量，Ps为通过安全开辟的新的航道避免碰撞的概率。

3.4 仿真试验分析

在3.3 节中防冲突调配模型的基础上，设定在一次避免冲突进行飞行调配的过程中，预计开辟新航道的过程进行3 次，每次开辟的航道数不定，规划的总航道数为10 条。当大约平均4 架/min 的目标敌机进入我方空域，经过调配避免冲突的平均时间为0.75 min，Ps=0.8，分别对可能调配的结果进行计算，计算相对应的防冲突调配效能。表1 为经过仿真实验，从全部试验结果中提取的典型代表性的几组数据。

表1 开辟不同航道数下的防冲突调配效能

通过试验仿真结果分析得出，当预计开辟新航道进行冲突避免时，经过调配开辟新航道的次数依次为5，3，5 时，防冲突调配效能最大，此时防冲突调配模型为阶梯状。当经过调配开辟新航道的次数为1，2，7 时，防冲突调配效能最小，此时防冲突调配模型为发散状。

4 结论

未来的战争一定是空地一体、一域多层的联合作战。新军事变革后，空中突击旅、合成旅等新式部队组织的出现，更加稳固了空地协同作战的方式，增强了陆军地面部队与陆军航空兵的联系。

空域管控技术是空地联合行动作战的关键技术，是连接地面与空中部队的“纽扣”。本文针对战术级空域管控，提出了空中“红绿灯”技术。通过对空域切分、空中“红绿灯”运转以及冲突检测告警的深入研究，在原有的战场空管系统上形成了一套科学、高效的战术级空域管控技术。该技术一方面提高了时效性，地面力量可以随着空域情况随变；另一方面提高了空域利用效率，多层高可以同时利用。战术级空中“红绿灯”空域管控技术，随着我军装备、体系的不断进步可以不断升级、革新，可供我军在未来空地协同作战中的战场空域管控中参考。